DE10201158A1

DE10201158A1 - extrusion screw

Info

Publication number: DE10201158A1
Application number: DE10201158A
Authority: DE
Inventors: Martin Wuertele
Original assignee: Krauss Maffei Kunststofftechnik GmbH
Current assignee: KraussMaffei Technologies GmbH
Priority date: 2001-10-31
Filing date: 2002-01-15
Publication date: 2003-05-15

Abstract

Bei einer Extrusionsschnecke (2) für einen Plastifizierzylinder (4) zur Verarbeitung von thermoplastischen Kunststoffen, mit mindestens einem, sich über eine Misch- und Umwandlungszone erstreckenden Schneckensteg (8), der mit zumindest einer Durchtrittsstelle (10) zur Rückführung des bereits aufgeschmolzenen Kunststoffmaterials zwischen benachbarten Schneckenwindungen versehen ist, wird erfindungsgemäß auf baulich einfache Weise eine hochgradige, rückstaufreie Durchmischung und thermische Homogenisierung des den Schneckenkanal (6) durchsetzenden Massestroms dadurch erreicht, daß der Schneckensteg an der Durchtrittsstelle unterbrochen und auf einer axial in Richtung des Austragsendes der Schnecke versetzten Schraubenlinie fortgeführt ist.In the case of an extrusion screw (2) for a plasticizing cylinder (4) for processing thermoplastic materials, with at least one screw web (8) which extends over a mixing and conversion zone and which has at least one passage point (10) for returning the already melted plastic material between adjacent screw windings is provided, according to the invention a structurally simple manner a high-level, backflow-free mixing and thermal homogenization of the mass flow passing through the screw channel (6) is achieved in that the screw web is interrupted at the point of passage and continued on a screw line offset axially in the direction of the discharge end of the screw is.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Extrusionsschnecke nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. The invention relates to an extrusion screw according to the Preamble of claim 1.

Bei Extrusionsschnecken für Kunststoff-Plastifizierzylinder, in deren Umwandlungszone das zumeist granulatförmig eingetragene Kunststoffmaterial unter Wärmeeinwirkung zunehmend aufgeschmolzen wird, so daß der Kunststoffstrom im Schneckenkanal in der Übergangsphase gleichzeitig aus festen und bereits aufgeschmolzenen Masseanteilen besteht, ergibt sich das Problem, daß sich das aufgeschmolzene Material aufgrund der erhöhten Haft- und Reibungsbedingungen vermehrt an die Schubflanke des Schneckenstegs anlegt, während sich die Feststoffanteile an der Passiv- oder Rückseite des Schneckenstegs ansammeln, so daß es zu einer höchst unerwünschten Entmischung von fester und flüssiger Phase kommt, durch die die thermische Homogenisierung und der Aufschmelzprozeß des Kunststoffmaterials erheblich beeinträchtigt werden. Um dem zu begegnen, sind bei den etwa aus der DE 26 22 591 C2, der DE 26 60 469 C2 oder der US 3 652 064 bekannten Extrusionsschnecken der eingangs genannten Art Durchbrüche oder Lücken im Schneckensteg freigehalten, um so das aufgeschmolzene Material von der Schubseite zur Stegrückseite und von dort über das Feststoffbett der vorhergehenden Schneckenwindung zu leiten. Dabei muß der aufgeschmolzenen Masse-Teilstrom jedoch allein unter der Wirkung der Druckdifferenz am Schneckensteg mehrfach quer zur Fließrichtung im Schneckenkanal umgelenkt werden, so daß ein ausreichender Durchmischungseffekt, wenn überhaupt, nur mit einer, bezogen auf die Schneckenwindungen, äußerst kompressionsstarken Extrusionsschnecke und dann auch nur mit einem hohen Leistungsverlust zu erzielen ist. Daher werden, wie aus den genannten Druckschriften ebenfalls bekannt, im Schneckenkanal zumeist zusätzlich Einbauteile in Form von Stiften, Nocken oder Barrierestegen angeordnet, an denen der Massestrom umgelenkt und dann durchmischt wird. Durch derartige Einbauteile aber wird der örtliche Strömungswiderstand des Schneckenkanals beträchtlich erhöht, mit der Folge, daß die Leistungsverluste wiederum stark zunehmen und darüber hinaus die Gefahr besteht, daß sich die Feststoffpartikel an den Einbauteilen stauen und den Schneckenkanal blockieren. In the case of extrusion screws for plastic-plasticizing cylinders, in their Conversion zone that is usually entered in granular form Plastic material is increasingly melted under the influence of heat, so that the plastic flow in the screw channel in the transition phase at the same time from solid and already melted mass fractions there is the problem that the melted material due to the increased adhesion and friction conditions to the Thrust flank of the screw flight creates while the solids content accumulate on the passive or back side of the screw flight so that it closes a highly undesirable separation of solid and liquid phases comes through the thermal homogenization and the Melting process of the plastic material significantly affected become. In order to counteract this, for example from DE 26 22 591 C2, known from DE 26 60 469 C2 or US 3,652,064 Extrusion screws of the type mentioned breakthroughs or gaps in the Keep the screw bridge free to remove the melted material from the Thrust side to the back of the web and from there over the solid bed of the to guide the previous screw turn. The melted partial mass flow, however, only under the effect of Pressure difference at the screw flight several times across the flow direction in the Auger channel are deflected so that a sufficient Mixing effect, if any, with only one, based on the Screw turns, extremely high compression extrusion screw and then can only be achieved with a high loss of performance. Therefore are, as also known from the publications mentioned, in Snail channel mostly additional components in the form of pins, Arranged cams or barrier webs on which the mass flow is redirected and then mixed. With such built-in parts the local flow resistance of the screw channel becomes considerable increased, with the result that the power losses increase again sharply and there is also a risk that the solid particles adhere stow the built-in parts and block the screw channel.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Extrusionsschnecke der eingangs genannten Art so auszubilden, daß auf baulich einfache Weise und mit geringen Leistungseinbußen eine hochgradige Durchmischung des Massestroms im Schneckenkanal erzielt wird. The object of the invention is an extrusion screw at the beginning mentioned type so that in a structurally simple manner and with low performance loss a high degree of mixing of the Mass flow is achieved in the screw channel.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Extrusionsschnecke gelöst. This object is achieved by the in claim 1 marked extrusion screw solved.

Erfindungsgemäß werden die aufgeschmolzenen Kunststoffanteile aufgrund der axial in Richtung des Austragsendes der Schnecke versetzten Steganordnung im Bereich der Durchtrittsstelle im wesentlichen ohne Änderung der Fließrichtung und ohne leistungsmindernde Einbauteile zuverlässig und äußerst strömungsgünstig abgetrennt und in das Feststoffbett der vorhergehenden Kanalwindung zurückgeführt und dadurch eine hochgradige Durchmischung des Massestroms mit sehr geringen Leistungseinbußen erzielt, mit der Besonderheit, daß der Schneckenkanal infolge der beanspruchten Steggeometrie nicht nur von störenden Engstellen freigehalten, sondern auf der Rezirkulationsstrecke sogar entsprechend dem um die Rückführmenge erhöhten Massestrom im Querschnitt verbreitert ist, was ganz wesentlich zu dem deutlich verbesserten, rückstaufreien Massefluß in der Misch- und Umwandlungszone der Extrusionsschnecke beiträgt. According to the melted plastic parts due to the axial displacement in the direction of the discharge end of the screw Bridge arrangement in the area of the passage point essentially without Change of flow direction and without performance-reducing installation parts separated reliably and extremely aerodynamically and into the Solid bed of the previous channel turn returned and thereby a high degree of mixing of the mass flow with very achieved low performance losses, with the peculiarity that the Auger channel not only from due to the stressed web geometry annoying constrictions, but on the recirculation route even according to the mass flow in the Cross section is widened, which is very significant to that improved, backflow-free mass flow in the mixing and Conversion zone of the extrusion screw contributes.

Der Schneckensteg ist an der Durchtrittsstelle axial versetzt fortgeführt, die Fortführung kann jedoch auch in Umfangsrichtung der Schnecke versetzt erfolgen. Insbesondere kann die Fortführung in Umfangsrichtung überlappend, anschließend oder mit einer Aussparung erfolgen (Anspruch 2). Die Gangsteigung der Schraubenlinie kann sich nach der Unterbrechung ändern oder unverändert bleiben (Anspruch 3). The screw flight is continued axially offset at the point of passage, However, the continuation can also take place in the circumferential direction of the screw staggered. In particular, the continuation in the circumferential direction overlapping, subsequently or with a recess (claim 2). The pitch of the helix can vary according to the Change interruption or remain unchanged (claim 3).

Besonders vorteilhaft ist es jedoch, den Schneckensteg nach der Unterbrechung axial, nicht aber in Umfangsrichtung der Schnecke, versetzt, mit gleicher Gangsteigung weiterzuführen. However, it is particularly advantageous to move the screw flight after the Interruption axially, but not in the circumferential direction of the screw, offset to continue with the same pitch.

Vorzugsweise ist der Schneckensteg gemäß Anspruch 4 mehrfach jeweils im Abstand einiger Schneckenwindungen unterbrochen und axial versetzt fortgeführt, was sich vor allem für Extrusionsschnecken empfiehlt, deren Umwandlungszone sich über eine Vielzahl von Schneckenwindungen erstreckt, um so den Mischvorgang periodisch jeweils nach mehreren Schneckenumläufen zu wiederholen. Preferably, the screw flight according to claim 4 is several times each interrupted at intervals of a few screw turns and axially offset continued, which is particularly recommended for extrusion screws, their Conversion zone spread over a variety of screw turns extends, so that the mixing process periodically after several Repeat screw rotations.

Bei einer mehrgängigen Schnecke sind die Durchtrittsstellen benachbarter Schneckenstege in besonders bevorzugter Ausgestaltung nach Anspruch 5 um höchstens eine Schneckenwindung voneinander entfernt, und zwar nach Anspruch 6 zweckmäßigerweise in Axialrichtung fluchtend zueinander angeordnet, also im Abstand genau einer Schneckenwindung. Auf diese Weise sind die Zufuhrstelle der Schmelze auf der Passivseite und die Entnahmestelle auf der Schubseite des jeweiligen Schneckenkanals derart zueinander positioniert, daß die Schmelze kaskadenartig von dem einen in den jeweils anderen Schneckenkanal überführt wird, ohne daß die abgezogene Menge an aufgeschmolzenem Material die Zufuhrmenge örtlich übersteigt und dadurch der Massestrom im Schneckenkanal stellenweise übermäßig stark an Schmelze verarmt. In the case of a multi-start screw, the passage points are more adjacent Screw flights in a particularly preferred embodiment according to claim 5 by at most one screw turn from each other, namely according to claim 6 expediently aligned in the axial direction arranged to each other, that is at a distance of exactly one screw turn. On in this way the feed point of the melt is on the passive side and the Tapping point on the push side of the respective screw channel in this way positioned to each other that the melt cascades from one in the other screw channel is transferred without the withdrawn amount of melted material locally the supply amount exceeds and thereby the mass flow in places in the screw channel poorly depleted of melt.

Aus Gründen einer weiteren Reduzierung des Strömungswiderstandes an der Durchtrittsstelle ist der axial versetzte Stegabschnitt nach Anspruch 7 zweckmäßigerweise mit einer keilförmig ausgebildeten Anströmkante versehen. For reasons of a further reduction in flow resistance the passage point is the axially offset web section according to claim 7 expediently with a wedge-shaped leading edge Mistake.

Die Erfindung wird nunmehr anhand zweier Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung: The invention is now based on two exemplary embodiments in Connection explained in more detail with the drawings. It show in strong schematic representation:

Fig. 1 eine ausschnittsweise Ansicht einer eingängigen Extrusionsschnecke nach der Erfindung zusammen mit dem zugehörigen Plastifizierzylinder im Bereich der Misch- und Umwandlungszone; und Figure 1 is a partial view of a single-threaded extrusion screw according to the invention together with the associated plasticizing cylinder in the region of the mixing and conversion zone. and

Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung in Form einer zweigängigen Extrusionsschnecke. Fig. 2 is a representation corresponding to Fig. 1 of another embodiment of the invention in the form of a two-speed extrusion screw.

Fig. 1 zeigt eine eingängige Extrusionsschnecke 2 in einem Plastifizierzylinder 4 im Bereich der Umwandlungs- und Mischzone, in welcher das zuvor eingezogene, thermoplastische Kunststoffgranulat unter Wärmeeinwirkung zunehmend aufgeschmolzen und in Pfeilrichtung P zur - nicht gezeigten - Austragszone des Plastifizierzylinders 4 befördert wird. Fig. 1 shows a catchy extrusion screw 2 in a plasticising cylinder 4 in the region of the conversion and mixing zone in which the previously drawn thermoplastic plastic granules increasingly melted under heat and in the direction of arrow P to - is conveyed discharge zone of the plasticizing 4 - not shown.

Beim Passieren der Umwandlungszone besitzt das bereits aufgeschmolzene Kunststoffmaterial aufgrund der höheren Haft- und Reibungseigenschaften die Tendenz, sich im Schneckenkanal 6 vermehrt an der Schubseite des Schneckenstegs 8 anzulagern, während sich das Feststoffmaterial verstärkt an der Rück- oder Passivseite des Schneckenstegs 8 ansammelt, so daß eine Entmischung des Massestroms erfolgt, wie dies schematisch in Fig. 1 durch den Schmelze-Teilstrom A und das Feststoffbett B dargestellt ist. Aufgrund des Entmischungseffekts werden der Wärmeübergang zu den Feststoffpartikeln und die thermische Homogenität des Massestroms erheblich beeinträchtigt. When passing through the conversion zone, the already melted plastic material has a tendency, due to the higher adhesive and frictional properties, to accumulate more in the screw channel 6 on the thrust side of the screw web 8 , while the solid material increasingly accumulates on the rear or passive side of the screw web 8 , so that the mass flow is segregated, as is shown schematically in FIG. 1 by the melt partial flow A and the solid bed B. Due to the separation effect, the heat transfer to the solid particles and the thermal homogeneity of the mass flow are significantly impaired.

Um dies zu verhindern, ist der Schneckensteg 8 örtlich unterbrochen und in Axialrichtung der Schnecke versetzt auf einer Schraubenlinie gleicher Steigung und Gangrichtung fortgeführt. Zwischen den Stegabschnitten 8.1 und 8.2 entsteht somit eine Durchtrittsstelle 10, an der das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial im wesentlichen unter Beibehalt der Fließrichtung im Schneckenkanal 8 abgetrennt und in die vorhergehende Schneckenwindung zurückgeführt wird, wo es dem Feststoffbett B auf der Rückseite des Schneckenstegs 8 zugemischt wird. Aufgrund der versetzten Steggeometrie ist der Schneckenkanal 6 längs der die Rezirkulationsstrecke bildenden Kanalwindung im Querschnitt verbreitert, so daß das Feststoffbett B beim Einströmen in den erweiterten Kanalabschnitt aufgebrochen wird und sich die an der Durchtrittsstelle 10 in Pfeilrichtung F abgezogene Schmelze über die Feststoffpartikel ergießt. Dies garantiert eine hochgradige, rückstaufreie Durchmischung der festen und flüssigen Masse-Teilströme A, B. Im Hinblick auf eine weitere Verringerung des Strömungswiderstandes an der Durchtrittsstelle 10 ist die Anströmkante 12 des Stegabschnitts 8.2 keilförmig ausgebildet. To prevent this, the screw flight 8 is interrupted locally and continued in the axial direction of the screw on a helical line of the same pitch and direction. A passage point 10 thus arises between the web sections 8.1 and 8.2 , at which the melted plastic material is essentially separated while maintaining the flow direction in the screw channel 8 and is returned to the previous screw turn, where it is mixed with the solid bed B on the back of the screw web 8 . Due to the offset web geometry, the screw channel 6 is widened in cross section along the channel winding forming the recirculation path, so that the solid bed B is broken open as it flows into the enlarged channel section and the melt drawn off at the passage point 10 in the direction of arrow F pours over the solid particles. This guarantees a high-grade, backflow-free mixing of the solid and liquid partial mass flows A, B. With regard to a further reduction in the flow resistance at the passage point 10 , the leading edge 12 of the web section 8.2 is wedge-shaped.

Um den Mischzustand des Massestroms über die gesamte Umwandlungszone aufrechtzuerhalten, können im Schneckensteg 8 jeweils im Abstand einiger Schneckenwindungen zusätzliche, gleichartig gestaltete Durchtrittsstellen 10 angeordnet sein. In order to maintain the mixed state of the mass flow over the entire conversion zone, additional, identically designed passage points 10 can be arranged in the screw web 8 at intervals of a few screw turns.

Fig. 2, wo die dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechenden Bauelemente durch ein um 100 erhöhtes Bezugszeichen gekennzeichnet sind, zeigt eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung einer zweigängigen Schnecke 102, deren Schneckenkanäle 106A, 106B über Durchtrittsstellen 110A, 110B örtlich miteinander in Verbindung stehen. Die Durchtrittsstellen 110 sind wiederum in der Weise ausgebildet, daß der Schneckensteg 108A bzw. 108B unterbrochen und auf einer in Richtung des Schnecken-Ausstoßendes axial versetzten Schraubenlinie mit gleicher Gangrichtung und -steigung fortgeführt ist, wobei die beiden Durchtrittsstellen 110A und 110B in Schnecken-Längsrichtung fluchtend zueinander ausgerichtet sind. FIG. 2, where the components corresponding to the first exemplary embodiment are identified by a reference symbol increased by 100, shows a representation corresponding to FIG. 1 of a two-flight screw 102 , the screw channels 106 A, 106 B of which pass through each other locally through passage points 110 A, 110 B. Connect. The passage points 110 are in turn designed in such a way that the screw flight 108 A or 108 B is interrupted and continued on a screw line axially offset in the direction of the screw discharge end with the same thread direction and pitch, the two passage points 110 A and 110 B are aligned with each other in the longitudinal direction of the screw.

An der Durchtrittsstelle 110B wird die Schmelze von der Schubseite des Schneckenkanals 106A abgezogen und dem Feststoffbett des Massestroms im Schneckenkanal 106B zugemischt. Der so um den rezirkulierten Schmelzeanteil erhöhte Massestrom gelangt nach einer Kanalwindung in dem nunmehr erweiterten Abschnitt des Schneckenkanals 106B zur Durchtrittsstelle 110A, wo die schubstegseitig angelagerte Schmelzeschicht abgetrennt und mit dem Feststoffbett des den Schneckenkanal 106A durchsetzenden Massestroms durchmischt wird. Wie ersichtlich, ändert sich auch hier wieder aufgrund des axialen Stegversatzes die Querschnittsbreite der Schneckenkanäle 106A, B im Bereich der Mischzone entsprechend dem örtlich zu- bzw. abgeführten Schmelze-Teilstrom, so daß in Verbindung mit der kaskadenartigen, strömungsgünstigen Rückführung der schubstegseitigen Schmelzeschichten wiederum eine hochgradige, rückstaufreie Durchmischung der festen und aufgeschmolzenen Materialanteile in beiden Schneckenkanälen 106A, B mit äußerst geringen Leistungsverlusten erzielt wird. At the passage point 110 B, the melt is drawn off from the thrust side of the screw channel 106 A and mixed into the solid bed of the mass flow in the screw channel 106 B. The mass flow thus increased by the recirculated melt portion reaches the passage point 110 A after a channel turn in the now widened section of the screw channel 106 B, where the melt layer attached to the push bar is separated and mixed with the solid bed of the mass flow passing through the screw channel 106 A. As can be seen, the cross-sectional width of the screw channels 106 A, B in the region of the mixing zone also changes here again due to the axial web offset in accordance with the locally supplied or removed melt partial flow, so that in turn in connection with the cascade-like, streamlined return of the melt layers on the web side a high-grade, backflow-free mixing of the solid and melted material parts in both screw channels 106 A, B is achieved with extremely low power losses.

Claims

1. extrusion screw for processing plastics, in particular for the plasticizing cylinder of an injection molding machine, with at least one screw web extending over a mixing and conversion zone for plasticizing and a subsequent discharge zone for ejecting the plastic material, which in the mixing and conversion zone with at least one passage point is provided for returning a partial mass flow to the adjacent screw turn, characterized in that the passage point ( 10 ; 110 ) is designed in such a way that the screw web ( 8 ; 108 ) is interrupted in the area of the passage point and on an axially in the direction of the discharge end the screw ( 2 ; 102 ) offset screw line is continued in the same direction.

2. Extrusion screw according to claim 1, characterized in that the continuation of the screw web ( 8 ; 108 ) offset in the circumferential direction of the screw ( 2 ; 102 ), in particular overlapping with respect to the circumferential direction, is carried out subsequently or with a recess.

3. extrusion screw according to claim 1 or 2, characterized in that the screw web ( 8 ; 108 ) on the axially in the direction of the discharge end of the screw ( 2 ; 102 ) offset helix is continued with the same or different pitch.

4. Extrusion screw according to one of claims 1 to 3, characterized in that the screw web ( 8 ; 108 ) is interrupted at intervals of several screw turns and continued axially offset.

5. Extrusion screw according to one of claims 1 to 4, with a plurality of screw flights, characterized in that the axially offset web sections of adjacent screw webs ( 108 A, 108 B) are spaced apart from one another by at most one screw turn.

6. Extrusion screw according to claim 5, characterized in that the axially offset web sections of adjacent screw webs ( 108 A, 108 B) are arranged in alignment in the longitudinal direction of the screw.

7. Extrusion screw according to one of the preceding claims, characterized in that the axially offset web portion ( 8.2 ) is provided with a wedge-shaped leading edge ( 12 ).